Умножители частоты

Умножителем частоты называют такой ГВВ, частота колеба­ний, на выходе которого в 2, 3,..., п раз выше, чем на входе.

Схема умножителя частоты аналогична схеме обычного усили­теля радиочастоты. Умножитель отличается от усилителя тем, что выходной контур умножителя настроен на вторую, третью или п-ю гармонику входного напряжения. Поэтому на нагрузке выде­ляется мощность той гармоники, на которую настроен выходной контур.

Из анализа режима колебаний второго рода известно, что с увеличением номера гармоники амплитуда гармонических состав­ляющих уменьшается: I_n=α_n, Imах- Поэтому полезная мощность и КПД умножителя меньше, чем усилителя. Режим умножения применяют в маломощных ступенях передатчика, низкий КПД ко­торых практически не снижает КПД передатчика в делом.

Принцип построения транзисторных умножителей частоты основан на использовании двух физических процессов: выделения нужной гармоники из импульса коллекторного тока и нелинейно­го характера изменения коллекторной емкости от изменения кол­лекторного напряжения.

Транзисторные умножители частоты, работающие на принципе выделения нужной гармоники из импульса, обеспечивают умно­жение на сравнительно низких частотах. Это происходит потому, что с повышением рабочей частоты импульс коллекторного тока расширяется (вплоть до 180°) и содержание высших гармоник в нем резко снижается. Практически умножители на этом принци­пе работают на частотах до 0,3 Ѡ_т.

Для умножения на более высоких частотах используется нели­нейность коллекторной емкости. Это позволяет получить на выхо­де умножителя частоту больше граничной частоты транзистора. На рис. 2.12 приведена схема транзисторного умножителя частоты, работающего как на низких, так и на высоких частотах. На вход схемы подается напряжение основной частоты, на кото­рую настроен контур в цепи базы транзистора. В цепи коллекто­ра включены фильтры, выделяющие на нагрузке заданную гармо­нику.

Транзисторные генераторы работают на частотах до 10 ГГц. Для получения мощности на более высоких частотах после транзисторного генератора включают умножители частоты на по­лупроводниковых диодах — варикапах и варакторах.

В полупроводниковых приборах емкость р—n-перехода скла­дывается из двух составляющих: барьерной (1) —основной при закрытом переходе и диффузионной (2) — основной при открытом переходе.

Графики зависимости емкостей р—n-перехода от напряжения на нем показаны на рис. 2.13. Кривая 3 отражает результирую­щую емкость р—n-перехода. Для работы умножителя на харак­теристике C_рез=f(U) выбирают рабочую точку А, подавая соот­ветствующее напряжение смещения.

Диоды, предназначенные для работы в режиме малых по сравнению с напряжением смещения амплитуд, называют варика­пами. Свойства варикапа определяются свойствами только барь­ерной емкости запертого перехода.

Диоды, предназначенные для работы при больших амплитудах, называют варакторами. В варакторных умножителях работа про­исходит как в области закрытого, так и в области открытого пе­рехода.

Принцип работы варакторного умножителя частоты основан на использовании нелинейности емкости р—n-перехода. При подаче на р—n-переход гармонического напряжения ток через переход будет негармонический (рис. 2.13,6). В составе такого тока име­ются высшие гармонические составляющие. Использование обла­сти открытого р—n-перехода приводит к увеличению уровня выс­ших гармоник.

В схему умножителя варактор можно включать как параллель­но (рис. 2.14,а), так и последовательно (рис. 2.14,6). Контур входной цепи умножителя настроен на основную частоту, а кон­тур выходной цепи — на вторую или третью гармонику. Такой умножитель частоты является пассивным, так как энергия выходных колебаний на частоте гно определяется энергией только одно­го источника входного напряжения с частотой со.

Достоинством параллельной схемы умножителя является то, что один вывод варактора в ней находится под нулевым потенци­алом. Это дает возможность разместить варактор на большом радиаторе и улучшить тепловой режим, а значит повысить полез­ную мощность.

Недостаток схемы — возможность возникновения паразитной генерации в контуре, образуемом индуктивностью выводов и ем­костью корпуса варактора и монтажа.

Последовательная схема (рис. 2.14,6) обеспечивает лучшую устойчивость работы, поскольку индуктивности выводов и емкость корпуса входят в состав колебательной системы умножителя. Но в этой схеме усложняются условия теплоотвода.

Наилучшая эффективность преобразования мощности в варакторе достигается подбором оптимального значения напряжения смещения, соответствующего определенному значению входного напряжения. При изменении амплитуды входного напряжения из­меняется и эффективность преобразования.

Автоматическое смещение обеспечивает изменение напряжения смещения при изменении входного напряжения, сохраняя таким образом оптимальную эффективность преобразования.

Варакторные умножители частоты используют для двух- или трехкратного умножения частоты. Для получения умножения большей кратности соединяют последовательно несколько удвои­телей или утроителей.

2.10. Схемы соединения транзисторных генераторов

Для увеличения выходной мощности ГВВ включают парал­лельно или последовательно несколько транзисторов для работы на одну общую нагрузку.

При параллельном включении транзисторов для работы на одну общую нагрузку одноименные электроды транзисторов соеди­няют между собой параллельно. При этом токи отдельных транзи­сторов в общем проводе складываются и в выходном контуре вы­деляется суммарная мощность.

При параллельном включении транзисторов паразитные емко­сти отдельных транзисторов, соединяясь между собой, увеличива­ют общую паразитную емкость схемы, что понижает устойчивость работы схемы в целом.

Соединяемые параллельно транзисторы должны иметь одинако­вые параметры, иначе один из транзисторов будет шунтировать другой транзистор и нагрузку. Значительный разброс параметров транзисторов приводит к необходимости применять дополнитель­ные схемные решения, вы­равнивания режимов рабо­ты отдельных транзисторов. Однако это приводит к ус­ложнению схемы, а следо­вательно снижает надеж­ность ее работы. Поэтому ограничиваются включени­ем не более двух-трех транзисторов параллельно.

Вследствие сложности настройки и снижения на­дежности схемы с парал­лельным включением тран­зисторов применяются ред­ко.

Двухтактные генераторы малой мощности (десятки ватт) на частотах 1 —10 МГц можно выполнять на трансформаторах с маг­нитной связью, как показано на рис. 2.15. Транзисторы в этой схе­ме работают в режиме класса В, т. е. с углом отсечки 0 = 90°. При подаче на вход переменного напряжения возбуждения в це­пях коллекторов импульсы коллекторных токов сдвинуты по фазе на 180°. По току первой гармоники транзисторы оказываются сое­диненными последовательно.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT1 проте­кает от коллектора VT1 через транзистор VT1, затем участок эмиттер — коллектор транзистора VT2, через нагрузку Т2 к кол­лектору транзистора VT1.

Коллекторный ток первой гармоники транзистора VT2 проте­кает от коллектора VT2 через участок коллектор — эмиттер VT2, через эмиттер — коллектор VT1, через нагрузку и к коллектору VT2.

Через нагрузку Т2 коллекторные токи первой гармоники про­текают в одном направлении и поэтому суммируются. В общем проводе питания токи первой гармоники направлены навстречу и взаимно компенсируются.

На выходе этой схемы при хорошей ее симметрии высшие гар­моники отсутствуют, так как четные гармоники коллекторных то­ков обоих транзисторов в выходном трансформаторе компенсиру­ются, а нечетные гармоники в импульсах с отсечкой 0 = 90° прак­тически отсутствуют.

2.11. Схемы выходных каскадов радиопередатчиков

Созданные генератором колебания радиочастоты передаются в антенну для излучения. Для этого антенна передатчика должна быть связана с выходным контуром последнего каскада передат­чика. Нагруженный антенной каскад называется выходным. Вы­ходной каскад передатчика является наиболее мощным каскадом и отбирает наибольшую часть энергии от источников питания. По­этому энергетические показатели выходного каскада в основном определяют энергетические показатели передатчика в целом. Сле­довательно, выходной каскад должен иметь по возможности боль­ший КПД. Кроме того, выходной каскад работает в режиме коле­баний второго рода, «высшие гармонические составляющие тока выходной его цепи могут передаваться в антенну и излучаться ею, создавая помехи другим радиостанциям. Для устранения этого выходной каскад должен обеспечивать достаточно хорошую филь­трацию гармоник.

Режим работы и энергетические показатели выходного каска­да зависят от электрических параметров антенны и способа связи ее с выходной цепью генератора.

В зависимости от способа подключения антенны различают две схемы выхода — простую и сложную.

Простая схема выхода — это такая схема, в которой антенна непосредственно включается в выходной контур генератора, как показано на рис. 2.16, а. В этой схеме антенна вместе с элемен­тами настройки и связи входит в состав выходного контура, яв­ляющегося нагрузкой генератора. Выходной контур здесь называют антенным. Он должен быть настроен на заданную частоту и иметь сопротивление, равное оптимальному эквивалентному со­противлению нагрузки генератора.

Известно, что наиболее полная передача колебательной мощ­ности в антенну происходит при согласовании входного сопротив­ления антенны с выходным сопротивлением генератора. В простой схеме антенный контур настраивают на заданную частоту с по­мощью катушки настройки L_н, а сопротивление нагрузки подбира­ют, изменяя индуктивность или емкость связи.

Если передатчик работает на одной фиксированной волне, то условия осуществления наиболее выгодного режима генератора и наиболее полной передачи энергии в антенну достигаются следую­щим образом. Сначала настраивают антенный контур на рабочую частоту генератора, а потом, не меняя параметров настройки контура, подбирают значение эквивалентного сопротивления кон­тура для обеспечения оптимального режима работы генератора.

При непосредственном подключении антенны в выходную цепь генератора энергия в антенну передается наиболее полно и этим достигается более высокий КПД генератора, что является до­стоинством простой схемы выхода.

Недостаток простой схемы — низкая фильтрация гармоник и ненадежная работа при обрывах антенны. При обрыве антенны сопротивление нагрузки уменьшается и генератор может оказать­ся в недонапряженном режиме. При этом потери мощности на электронном приборе могут превысить допустимые и разрушить прибор.

В сложной схеме выхода в выходной цепи генератора имеется два контура (рис. 2.16,6). Один из них включается непосредствен­но в выходную цепь генератора и называется промежуточным. Второй контур создается элементами антенны и называется ан­тенным. Оба контура настроены на рабочую частоту генератора. Оптимальное сопротивление нагрузки в сложной схеме выбирает­ся подбором связи промежуточного контура с антенным (методом последовательного приближения).

Достоинством сложной схемы является лучшая фильтрация гармоник. Кроме того, сложная схема более надежна, так как при обрыве антенны генератор переходит в перенапряженный режим и потери мощности на нагрев электронного прибора уменьшаются. Недостаток сложной схемы — низкий кпд из-за потерь энергии на элементах связи и промежуточного контура.

Сложная схема выхода используется в передатчиках большой и средней мощности, в которых большое значение имеет лучшая фильтрация гармоник и допускаются большие габаритные разме­ры схемы и ее сложность.

В маломощных передатчиках связи, для которых малые их га­баритные размеры, масса и простота схемы, а также экономич­ность имеют решающее значение, применяется простая схема вы­хода.

Для контроля режима работы электронного прибора и настройки контура в резонанс в выходной каскад передатчика включают прибор для измерения токов в выходной и входной цепях генератора.

Глава 3. АВТОГЕНЕРАТОРЫ

3.1. Принцип самовозбуждения

Для создания колебаний радиочастоты в радиопередающих устройствах используется явление возникновения электрических колебаний в колебательном контуре, в который вводится некото­рое количество энергии извне, т. е. первоисточником электрических колебаний в радиопередающих устройствах служит колебатель­ный контур.

Если в электрический контур LC ввести некоторое количество энергии извне, например путем заряда конденсатора С, то в кон­туре возникают свободные затухающие колебания радиочастоты.

Чтобы колебания были незатухающими, т. е. амплитуда их не уменьшалась, необходимо периодически, в такт со свободными колебаниями, пополнять энергию в контуре. Это можно осущест­вить периодически, подключая к контуру источник ЭДС, который будет подзаряжать конденсатор контура. Когда количество энер­гии, поступающей в контур, будет достаточным для компенсации всех потерь энергии в нем, колебания в контуре будут незату­хающими.

Для создания в контуре незатухающих колебаний пополнять энергию необходимо один раз за период. А так как частота коле­баний высокая (сотни и тысячи килогерц), то подключать источ­ник электрической энергии к контуру для пополнения энергии в нем может только специальный быстродействующий прибор — электронная лампа или транзистор.

Чтобы пополнения энергии поступали в контур в такт со сво­бодными колебаниями (с его собственными колебаниями), необ­ходимо, чтобы сами колебания управляли током источника пита­ния. Для этого в схеме генератора имеется обратная связь (ОС) выходной цепи со входной. Таким образом, генератор с самовоз­буждением состоит из колебательного контура, электронного при­бора, источника питания и элементов положительной обратной связи. /

В колебательном контуре выделяется энергия создаваемых колебаний, частота которых определяется параметрами контура L и C. Электронный прибор выполняет роль регулятора расхода энергии источника питания. Элементами обратной связи могут быть катушка индуктивности или конденсатор. Источник питания пополняет энергию в контуре. Таким образом, генератор с самовозбуждением является

_____________________________________________________________

Рис.3.1. структурная схема автогенератора

1-цепь ОС; 2-усилительный элемент; 3-колебательный контур;

4-источник питания.

устройством, которое создает колебания радиочастоты с помощью колебательного контура и элементов обратной связи. А так как колебания в таком генераторе возникают автоматически, сразу после включения источников питания, то он называется автогенера­тором (рис. 3.1).

Дата добавления: 2014-01-15